التصنيع بالإضافة
كاشف النانو بلاستيك المطبوع ثلاثي الأبعاد يستهدف تلوث الميكروبلاستيك
A team of engineers from McGill University recently unveiled a 3D-printed nanoplastic detector. The new device can detect harmful pollutants more efficiently and across a wider spectrum. The researchers hope their new system will help drive collaboration and innovation in the microplastic pollutants sector. Here’s how this development could help make the world safer for future generations.
لماذا تُعد الميكروبلاستيك أزمة بيئية متزايدة
منذ أن انطلقت إنتاج البلاستيك بشكل مكثف في أوائل القرن التاسع عشر، بدأ الميكروبلاستيك يتراكم ببطء في البيئة. ومن الجدير بالذكر أن مصطلح الميكروبلاستيك ظهر لأول مرة في عام 2004 بعد أن استخدمه ريتشارد طومسون وفريق من الباحثين أثناء دراستهم للملوثات البحرية. تتكون هذه الجزيئات البلاستيكية الدقيقة، التي يقل حجمها عن 5 ملم، بعد تحلل قطع البلاستيك الأكبر بمرور الوقت.
تشير التقارير إلى أن ما يصل إلى 40 مليون رطل من الميكروبلاستيك تدخل البيئة سنويًا. للأسف، تشير نفس التقارير إلى أنه إذا استمر هذا المعدل، سيتضاعف بحلول عام 2040. وفقًا للباحثين، يمكن الآن العثور على الميكروبلاستيك في كل بيئة تقريبًا، وحتى داخل جسمك.
يُعد الميكروبلاستيك خطرًا خاصًا لأنه يدخل السلسلة الغذائية، مما يؤدي إلى سيناريوهات خطرة. في عام 2022، أجرى الباحثون في هولندا سلسلة من التجارب لمعرفة مدى تفاقم التلوث على المستوى الفردي. كشفت الاختبارات أن 80٪ من المشاركين كان لديهم ملوثات ميكروبلاستيك داخل أجسامهم.
دراسة أخرى1، ساعية لتحديد متوسط استهلاك الميكروبلاستيك للفرد، وجدت أن البالغ المتوسط يتناول أكثر من 121,000 جزيء ميكروبلاستيك سنويًا عبر الهواء والطعام والمشروبات. بالإضافة إلى مخاوف الاستهلاك، هناك أيضًا مشكلات جودة الهواء والماء. أصبحت المشكلة شديدة لدرجة أن الأمم المتحدة جعلت تقليل الميكروبلاستيك هدفًا عالميًا.
الطرق الحالية لاكتشاف الميكروبلاستيك
تتطلب الطريقة الحالية لاكتشاف الميكروبلاستيك في البيئة عدة خطوات لإنجازها. توفر مطيافية الكتلة أكثر كشف مفصل ودقيق للميكروبلاستيك على مستوى النانو. ومع ذلك، يجب جمع هذه العينات وتحضيرها بشكل صحيح قبل أن يتم اختبارها.
التحديات مع تقنيات اكتشاف الميكروبلاستيك التقليدية
تترك الطريقة الحالية لاكتشاف الميكروبلاستيك الباحثين في مأزق حيث يتعين عليهم قضاء الكثير من الوقت في تحضير العينات لفحوصات مطيافية الكتلة (MS). إن تحضير العينات المعقد، إلى جانب الافتقار الكامل إلى بروتوكولات معتمدة لاكتشاف النانو بلاستيك، أدى إلى فجوات بحثية وعجز عن اكتشاف النانو والميكروبلاستيك بدقة وكفاءة في مجموعة واسعة من مصفوفات البيئة.
دراسة رائدة من جامعة ماكغيل
يعتقد باحثو جامعة ماكغيل أنهم حلوا هذه المشكلة. أطلقوا مؤخرًا الدراسة2 منصة مطيافية كتلة HoLDI لاكتشاف النانو بلاستيك الجوي، في المجلة العلمية Communications Chemistry التابعة لـ Nature. تقدم هذه الورقة طريقة جديدة لجمع وتحليل النانو والميكروبلاستيك الجوي والمائي.
المصدر – Nature
ما هو كاشف النانو بلاستيك HoLDI المطبوع ثلاثي الأبعاد؟
بدأ المهندسون جهودهم بالاعتماد على تقنية الليزر المساعد بالمصفوفة (MALDI) في مطيافية الكتلة للبحث عن النانو/الميكروبلاستيك الجوي الموجود مسبقًا. لاحظوا أنه إذا تمكنوا من دمج منصة تفريغ/تأين بالليزر المجوف (HoLDI) مطبوعة ثلاثية الأبعاد، فقد توفر إشارات مطيافية كتلة أكثر كفاءة وموثوقية واستدامة.
كيف يعمل التفريغ/التأين بالليزر المجوف
هناك عدة أسباب جعلت المهندسين يحددون أن HoLDI-MS هو الخيار الأفضل. أولاً، ألغى الحاجة إلى المعالجات المسبقة المعقدة للعينات. تُعد هذه الخطوات تحديًا كبيرًا للمهندسين وقد أدت إلى نقص في التوحيد العالمي، مما يقلل من التعاون الدولي.
بناء إعداد الكاشف المطبوع ثلاثي الأبعاد
قام الباحثون بتركيب نظامهم الجديد باستخدام ركيزة تحمل المحللات متصلة مباشرة بأسفل لوحة هدف HoLDI المطبوعة ثلاثية الأبعاد. من هناك، يتم ربط الإعداد بالكامل بحامل اللوحة قبل أن يضع الفريق العينة في مطياف الكتلة. بمجرد وضعها في هذا الترتيب، يستخدم الفريق الليزر لاختراق لوحة الهدف. ومن الجدير بالذكر أن الشعاع يمر عبر الهياكل المجوفة قبل أن يُشع الجسيمات الجوية، مما يسمح للفريق بإجراء تحليل مباشر للعينة.
تحليل مباشر للميكروبلاستيك بدون تحضير
لاحظ المهندسون أن إلغاء عملية تحضير العينة كان تحسينًا كبيرًا للنظام. لقد أعاقت تعقيدات تحضير العينة استخدام مطياف الكتلة في الميدان لفترة طويلة. يمكن لهذا النهج الجديد التعامل مع عينات غير محضرة وتحديد توزيع أحجام الجسيمات، والتركيب الكيميائي، والخصائص الفيزيائية والكيميائية. ومن الجدير بالذكر أن الطريقة يمكن أن تعمل لكل من الاختبارات الجوية والمائية.
اختبارات واقعية عبر الهواء والثلج والماء
أجرى المهندسون عدة اختبارات لضمان دقة نتائجهم. على وجه التحديد، تم استخدام جهاز قياس حجم الجسيمات المتنقلة بالمسح (SMPS) لتتبع توزيع أحجام الجسيمات تحت 1 µم. بالإضافة إلى ذلك، مكن جهاز قياس الجسيمات البصري (OPS) الفريق من قياس الجسيمات بدقة بين 0.3 و10 µم. أخيرًا، استخدم الفريق جهاز صدم موحد للترسيب عبر الفتحة الدقيقة المتسلسلة (MOUDI) لجمع أي رذاذ على ركائز الصدم.
سمح اختبار الفريق للمهندسين بتتبع كثافات الجسيمات الهوائية ذات الحجم النانوي على مدار فترة مراقبة مدتها 24 ساعة. بالإضافة إلى ذلك، اختبروا أداتهم عبر مصفوفات بيئية واقعية مختلفة. على وجه التحديد، اختبر الفريق الهواء والثلج والماء.
نتائج متفوقة من طريقة الكشف الجديدة
أظهرت نتائج الاختبار أن نظام اكتشاف النانو بلاستيك قدم تحليلًا متفوقًا من حيث الإنتاجية للرذاذ. نجح الفريق في تتبع كثافة وكمية البولي إيثيلين، والبولي إيثيلين جليكول، والبولي ديميثيل سيلوكسان عبر بيئة داخلية.
كانت نتائج تتبع المياه أيضًا مثيرة للإعجاب. يحقق النهج الجديد بيانات متزامنة تعتمد على الكتلة ومعلومات فيزيائية كيميائية تعتمد على الجسيمات مع تقليل الجهد الزائد وتسريع النتائج. بالإضافة إلى ذلك، ساعدت نتائج الاختبار المهندسين على إنشاء إطار عمل شامل لجمع وتحضير وتحليل الرذاذ.
مزايا كاشف النانو بلاستيك المطبوع ثلاثي الأبعاد
تقدم هذه الدراسة العديد من الفوائد. أولاً، تساعد في تمهيد الطريق لتوحيد عالمي لملوثات الميكروبلاستيك. صرح الفريق بالفعل أنهم يعتزمون إتاحة جميع أبحاثهم للمهندسين الآخرين. يتم تعزيز إمكانية الوصول من خلال إلغاء الحاجة إلى امتلاك المختبرات لأدوات متقدمة مثل صدمات السلسلة. بدلاً من ذلك، يعمل إعداد الترشيح بالفراغ البسيط كبديل فعال لجمع الرذاذ، مما يفتح الباب للمشاركة العالمية.
اختبار أكثر دقة، استدامة، وتكلفة معقولة
فائدة رئيسية أخرى لهذا النهج هي أنه يلغي الحاجة إلى تحضير العينات. صرح المهندسون أن تحضير العينات لمطياف الكتلة هو أحد أكثر الخطوات استهلاكًا للوقت وحساسية في عملية اكتشاف الميكروبلاستيك الحالية. يعني إلغاء الحاجة إلى التحضير أن العلماء يمكنهم الحصول على النتائج بسرعة أكبر وبجهد أقل.
تقدم هذه الدراسة أداة قابلة لإعادة التدوير تعزز الاستدامة. على سبيل المثال، يقلل إلغاء تحضير العينات من الحاجة إلى مواد كيميائية للمصفوفة وعوامل إقران الأيونات، مما يخفض التكاليف ويعزز الاستدامة على المدى الطويل.
قابلية النقل وتطبيقات الميدان
تُعد قابلية النقل لإعداد اختبار الميكروبلاستيك المُحسّن ميزة كبيرة. سيسمح هذا النهج للبيئيين والعلماء بإجراء اختبارات ميدانية للميكروبلاستيك. يمكن لهذا النهج مساعدتهم على تحديد المساهمين الرئيسيين في التلوث وتحديد أولويات الجهود.
تتفوق دقة اختبار الميكروبلاستيك هذا بشكل كبير على سابقيه. إن إلغاء التحضير وتقديم نهج موحد هي جميعها خطوات ساعدت في توفير بيانات ميكروبلاستيك أكثر دقة مقارنة بالخيارات القديمة. الآن، يمكن للباحثين رؤية بالضبط كيف وأين يتسبب الميكروبلاستيك في الضرر.
دفع التوحيد والتعاون العالمي
الفريق متحمس أكثر ما يلهمه دراستهم للسوق. يقدم هذا النهج مقارنة بيانات وتحقق متفوقين عبر المختبرات حول العالم. وبالتالي، ينبغي أن يساعد في تعزيز التعاون، مما يؤدي إلى مزيد من الابتكار مع سد الفجوات المتعلقة بالعمليات.
طريقة اكتشاف الميكروبلاستيك المُحسّنة أكثر تكلفة معقولة من سابقتها. تأتي التكاليف المنخفضة من إلغاء تحضير العينات. هذه الخطوة كانت تستغرق وقتًا وتكلف مالًا. النهج الجديد أكثر تكلفة معقولة، حيث يفتخر الباحثون بأن الإعداد يكلف بضعة دولارات فقط لكل عينة.
الكفاءة هي فائدة أخرى تجعل هذا النهج حلاً أفضل. كانت الطريقة القديمة لاكتشاف النانو بلاستيك دقيقة وتتطلب المزيد من الخطوات والموظفين والمعدات. يقلل إعداد اكتشاف الجسيمات النانوية المُحسّن من التكاليف ويوفر نتائج أكثر دقة من خلال نهج أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.
حالات الاستخدام المستقبلية: من أنظمة السلامة إلى معايير الصناعة
هناك العديد من التطبيقات لكاشف الميكروبلاستيك السهل الاستخدام والدقيق. سيسمح هذا الجهاز لأي شخص بتحديد مصادر النانو والميكروبلاستيك في البيئة، مما يمكّن الأفراد والشركات من تقليل تلوثهم بفعالية. إليكم بعض التطبيقات الرئيسية لهذه التقنية.
لاحظ المهندسون أنه مع مرور الوقت، يمكن إعداد كاشفهم لتتبع مواد كيميائية ضارة أخرى أيضًا. يمكن للجهاز مراقبة الملوثات المعدنية الخطرة، والعضويات الثانوية، والهوائيات الحيوية. تضيف طبيعة النظام الفعّالة وقابليته للنقل إلى فائدته كجهاز أمان.
الجدول الزمني المتوقع للنشر الواقعي
قد يستغرق الأمر خمس سنوات أخرى قبل أن ترى هذا البحث يُستَخدم فعليًا. من المؤكد أن المخاوف المتزايدة بشأن الميكروبلاستيك والملوثات التي تدخل الجسم ستسهم في تسريع إطلاق هذا المنتج. في الوقت الحالي، صرح الفريق بأنه سيركز على تحسين كفاءة الآلة ودقتها.
باحثو كاشف النانو بلاستيك المطبوع ثلاثيًا الأبعاد
قادت دراسة نظام اكتشاف النانو بلاستيك المطبوع ثلاثيًا الأبعاد قسم الكيمياء بجامعة ماكغيل، مونتريال، كيبيك، كندا. يُدرج أستاذ الكيمياء باريسا أريا كأحد المؤلفين الرئيسيين إلى جانب زي وانغ، نديم ك. سادي، روبرت ج. بانيتا، زي وانغ وروبرت ج. بانيتا. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة تلقت تمويلًا من المجلس الكندي للعلوم الطبيعية والهندسة (NSERC)، ومؤسسة كندا للابتكار (CFI)، والمجلس الوطني للبحوث الكندي (NRC).
مستقبل تكنولوجيا اكتشاف النانو بلاستيك
مستقبل أنظمة اكتشاف النانو بلاستيك واعد. هناك حاجة حقيقية لهذه الحلول اليوم. بناءً على ذلك، يأمل المهندسون أن تساعد أداتهم في تعزيز الحركات المجتمعية للحد من التلوث. هدف المشروع هو تعزيز التعاون الدولي وتوحيد البحوث العالمية حول تلوث البلاستيك.
الاستثمار في إعادة تدوير البلاستيك
تُعد تلوث البلاستيك مشكلة رئيسية أدت إلى نشوء صناعة كاملة مكرسة لتنظيف هذا النفايات على مستوى العالم. اليوم، تقود عدة شركات الجهود نحو مستقبل أكثر صحة واستدامة. إليكم شركة واحدة تحتل موقعًا قويًا في السوق.
Loop Industries Inc
تم تأسيس Loop Industries (LOOP ) بواسطة دانييل سولوميتا في عام 2014. الشركة فريدة من نوعها حيث يركز نموذج أعمالها على إعادة تدوير نفايات PET والبوليستر. يُكمل هذا النهج إدخال تقنية ثورية لإعادة تدوير البلاستيك تُسمى تقنية التحلل إلى وحدات أصغر (depolymerization technology).
(LOOP )
